三維激光掃描技術在船舶行業的應用

陳俊發 羅東浩

摘 要：介紹了三維激光掃描技術，分析了船舶與海洋工程測量數據需求及三維掃描技術可提供的解決方案，探討其在船舶全生命周期的應用前景。

關鍵詞：激光掃描；船舶；點云技術

中圖分類號：U671.99 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the 3D laser scanning technology， analyzes the survey requirement of ship engineering and the solutions for it by using 3D laser scanning technology ， and discusses its application prospect in the whole life of ships.

Key words： 3D Laser scanning； Ship； Cloud point

1 引言

隨著科技的進步，制造業快速地向數字化、信息化、網絡化、智能化轉變，智能制造日益成為世界先進制造業發展的重要方向。船舶工業作為工業的集大成者，正朝著智能化、信息化大步邁進。三維激光測量技術作為一種全新的現代測量技術，為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，其在精度、速度及操作性上擁有巨大的優勢。三維激光掃描技術在國外應用較為廣泛，但在國內工業領域還處于起步階段，研究及推廣三維激光掃描技術在船舶行業的應用，將進一步提高我國船舶工業的數字化設計與制造的綜合能力。

2 三維激光掃描技術

2.1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術，顧名思義是采用激光發射的方式來獲取被測物體的三維立體數據信息[1]。其主要構成為三維激光掃描儀及相關的計算軟件。

激光掃描儀是利用激光測距的原理，通過主動發射激光并同時接受由自然物表面反射的信號進行測距，記錄并計算被測物體表面密集的點的三維坐標、反射率及紋理等信息，可快速復建出被測量物體的三維模型及各種線、面、體信息。

2.2 三維激光掃描技術的特點

相對于傳統工程測繪，三維激光掃描技術能夠實現在三維空間內精確描述設施對象位置、形態，在數據完整性、精度、作業效率等方面均優于傳統測繪技術。其主要的特點如下：

（1）非接觸式測量

測量為非接觸式，不影響測量區域的正常工作；

（2）詳細測量

僅需幾分鐘就能針對性地對復雜的環境和幾何形狀提供詳細的三維圖像；

（3）數字建檔

可通過兼容軟件輕松導入所有常用的數據，為工業指導和后期改造提供解決方案；

（4）彩色掃描

可集成彩色照相機，自動獲取幾千萬及無色差彩色疊加，進行照片般逼真的三維掃描；

（5）自動整合

可集成高精度傳感器（GPS、羅盤、高度計、傾角儀、多軸補償器等），自動擬合所有的掃描文件，并形成完整的三維實體模型；

（6）便攜性

部分廠商掃描儀重量僅有5 kg，容易攜帶，可在不借用外部設備的條件下工作。

3 船舶行業的三維數據采集

信息技術的飛速發展深刻的改變著傳統制造業，從產品的構思、初步設計、詳細設計、工程管理、物資采購、生產制造、品質控制、日常維護、改造升級直至拆檢的產品全生命周期，每一個環節均與信息化、數字化緊密相連。

船舶產品復雜、精度要求高，品種多批量小、建造過程變化大、配套設備多，對產品生產的柔性化和快速響應要求高，迫切需要以數字化技術來改造傳統的船舶制造及維護模式[2]；船舶產品設計、制造、維修、檢修、評估、智能質量控制、船舶運行維護中，三維數據的采集及分析數字化、智能化趨勢愈發明顯。

3.1 初步設計

對船舶設計而言，新船設計常采用母型船改造的設計方法[3]。母型船改造設計法需要詳細的母型船數據供參考，但往往存在數據的缺失，特別是母型船型線數據缺失需要通過測量得到，而三維測量可提供相應的解決方案。

3.2 建造過程精度控制

船舶與海洋工程在建造過程中，因為受到各種客觀條件的限制，結構件、分段、總段及主尺寸等與圖紙的公稱尺寸存在偏差，通過測量獲取船舶構件的形體特征，同時對測量數據進行分析處理，計算構件三維拼接誤差，得出建造的真實數據，進而控制和指導施工過程，減少船舶整體拼裝誤差，可顯著提高建造水平和質量。例如船體外板線型，由于加工工藝和變形等影響，外板的最終形態常與設計形態有一定差異，三維測量技術可高效準確獲得點云數據，進而通過高性能的軟硬件對數據進行分析，最終獲得準確的線型數據。

3.3 完工存檔

船舶與海洋工程設施建造完成，除了基礎原理等完工資料外，為了方便管，理準確的三維模型數據也是今后普遍的需求[4]。

3.4 資產管理與可視化

有了完工三維點云數據，后續可在模型中添加設備資料及日常維護記錄，這種直觀且可視化操作對于船員的培訓及日常維護具有較大的促進作用。

3.5 工程評估

船舶在運營過程中，經常受到各種外力、腐蝕的作用，加之人為因素的影響，會產生變形與損壞，導致不滿足正常的使用要求；另外，由于科技的進步，使得船舶的技術狀況變得陳舊落后，需要對船舶進行修理或者升級改造。利用高效而準確的測繪技術，對工程進行相應的測量、勘察及檢驗，通過比對相關規范及標準數據，經過綜合評估可獲得改造的具體需求。

3.6 改造方案的論證

修理或者改造需求基本明確后，往往需要現場調研。傳統的調研方式就是由船體、機械、管道、暖通空調、電儀等多個專業現場調研，受環境、人力、時間等因素限制，往往效率不高；而基于精準的掃描技術，僅需少量人力的掃描作業，即可記錄整個現場設施的布局，用直觀的方式討論并完善實施方案，可顯著提高工作效率。

3.7 干涉檢查

船舶與海洋工程修理及改造工程需要花費大量的時間對設備及周邊環境進行測量，特別是原有設施圖紙資料缺失的情況下，如果沒有準確的測量數據，改造后的設施可能會與原有設施產生干涉導致修改和返工，不利于工程周期及成本的控制。

3.8 船舶監控

隨著航運業的不斷發展，區域航道內的船舶通行量也快速增加，基于三維掃描技術可快速獲取航道的船舶通行量并同時獲取船舶的外形信息，為航道發展定位、基礎設施建設以及航道管理策略制定提供依據。此外，船舶趨向大型化，為了保證船舶靠泊更加安全、高效，可利用基于激光三維視覺的船舶靠泊監測技術，提取船舶靠泊時船首、船尾相對碼頭的距離與速度等船舶動態靠泊參數，為船舶靠泊提供安全保障[5]。

4 三維掃描技術在船舶行業的應用

4.1 作業安全

安全是所有作業的第一要求，且安全監管部門的要求越來越高，所有的作業均需滿足相應的HSE監管規定。

船舶及海洋工程行業需要進行大量的測繪作業，而其環境通常較為復雜及危險，激光掃描技術為非接觸式測量、高效測量，可減少暴露在工作環境中的時間，減少作業人員往返現場的次數，降低潛在危險，特別是降低艙室、高溫高壓區、高空區域等惡劣環境對作業人員的傷害。

4.2 效率與成本

相對于傳統的測量方式，三維測量技術可大大縮短工程的設計及施工周期，而且整個設計及施工可更為優化及合理。

4.3 工程監理

船舶與海洋工程特別是改裝項目，一般采用復雜的設計和施工流程，而海工項目物料成本非常昂貴，工程期間需要對設計/現場匹配情況進行監控：

項目開工前，對整個工程進行測繪存檔；

項目完成后，對整個工程再次掃描建模工作，快速對比設計偏差和物量情況；

項目完成后，存檔以用于后期的工程改造。

4.4 工程質量

激光掃描技術可以獲取完整精確的三維實體數據，顯著提高工程質量：現場及設備的操作培訓；專業間的協調溝通；施工指導；安全評估監控；建造質量監控；方案修改等。

5 三維掃描技術在船舶行業的應用實例

5.1 例一：工程逆向建模

某VLCC改造為FPSO項目，通過掃描獲取完整的外板數據（圖1），經處理獲得線型信息并完善模型數據，為FPSO的設計提供載體（圖2）。

5.2 例二：建造過程精度控制

某跨海大橋30m鋼圓筒震動錘項目，通過掃描獲取項目的建造數據及模型（圖3），監控共振梁、吊架制作及震動錘的組裝過程，保證施工精度滿足設計要求（圖4）。

5.3 例三：干涉檢查

某壓載水系統新增工程，通過掃描機艙擬改造的區域，評估設備擺放的位置，直接通過三維模型進行模擬吊運路徑，獲取最優的吊運路徑，將可能的干涉影響降低至最低限度。圖5紅色區域為可能存在干涉的內容，在設備安裝前可提前將干涉部分消除，保證安裝過程順利進行。

6 結論

綜上所述，三維激光掃描技術是一套成本低、風險低、效率高的創新性測量技術，可廣泛運用于船舶的各個生命周期。隨著船舶行業的飛速發展，建造、升級改造、維護維修和測量監控工作日趨增加，運用三維激光掃描技術可降低風險、提高工作效率、降低生產成本，提升企業整體的競爭力。

參考文獻

[1]毛方儒， 王磊. 三維激光掃描測量技術[J]. 宇航計測技術， 2005， 25 （2）.

[2]應長春.船舶工藝技術[M]. 上海交通大學出版社，2013.

[3]蘇華. 船舶型線設計系統開發[D]. 大連海事大學， 2011.

[4]侯強， 許靜. 海洋工程三維立體查詢與工程信息管理系統的研究[C]// 全國海洋工程學術會議， 2000.

[5]閆曉飛. 基于三維激光點云數據的船舶靠泊監測技術[D]. 大連海事大 學， 2017.